جلوگیری از حجیم شدن لجن در منبع آن: یک استراتژی اصلی در طراحی فرآیند تصفیه فاضلاب

حجیم شدن لجن یکی از رایج ترین و چالش برانگیزترین مشکلات در سیستم های تصفیه فاضلاب لجن فعال است که به صورت کاهش عملکرد ته نشینی لجن (SVI > 150 میلی لیتر در گرم)، شکست در جداسازی لجن-آب در مخزن ته نشینی ثانویه، و خرابی بیش از حد سیستم که در مواردی می تواند منجر به خروج مواد جامد شود، آشکار می شود. راه‌حل‌های سنتی اغلب بر تنظیمات اضطراری در حین کار تمرکز می‌کنند (مانند افزودن منعقدکننده‌ها یا تنظیم اکسیژن محلول (DO)، اما این اقدامات تنها راه‌حل‌های موقتی هستند و هزینه‌های عملیاتی را افزایش می‌دهند. در واقع، پیشگیری از حجیم شدن لجن باید در مرحله طراحی فرآیند اجرا شود-از بین بردن علل رشد بیش از حد باکتری رشته‌ای رشته‌ای از طریق رشته‌های علمی منسجم یا غیر{5} انتخاب پیکربندی، تطبیق پارامترهای عملیاتی، و ادغام واحد عملکردی، راه اساسی برای دستیابی به-عملکرد پایدار سیستم طولانی مدت است.

Sludge bulking is primarily classified into two categories: filamentous bulking (accounting for >90٪ و حجم دهی غیر رشته ای. وقوع آنها به طور مستقیم با نقص در طراحی فرآیند مرتبط است. روشن شدن علل و همبستگی طراحی بین این دو نوع، پیش نیاز طراحی دقیق است.

1. حجم دهی رشته ای: "عدم تعادل زیست محیطی" ناشی از نقص طراحی

باکتری های رشته ای فلور طبیعی در لجن فعال هستند. رشد متوسط ​​آنها می تواند ثبات ساختار لخته را افزایش دهد. با این حال، زمانی که طراحی فرآیند منجر به "مزیت رقابتی افزایش یافته باکتری های رشته ای" شود، حجیم شدن رخ می دهد. عوامل مرتبط با طراحی هسته عبارتند از: اول، توزیع نابرابر اکسیژن محلول (DO)، مانند پیکربندی راکتور که منجر به شرایط بدون اکسیژن موضعی می‌شود (DO <0.5 میلی‌گرم در لیتر)، که به باکتری‌های رشته‌ای اجازه می‌دهد تا ترجیحاً اکسیژن و مواد مغذی را به دلیل سطح ویژه بزرگ خود بدست آورند. دوم، گرادیان غلظت سوبسترا غیر منطقی. در راکتورهای کاملاً مخلوط، غلظت کم و یکنواخت سوبسترا به باکتری‌های رشته‌ای به دلیل راندمان بالای جذب مواد مغذی آنها اجازه تسلط را می‌دهد. سوم، طراحی بیش از حد طولانی مدت زمان نگهداری لجن (SRT) که منجر به تجمع زیادی از باکتری های رشته ای در لجن کهنه می شود. چهارم، عدم تعادل مواد مغذی. این طرح نوسانات در نسبت C/N ورودی و نسبت C/P را در نظر نمی‌گیرد، که منجر به رشد بیش از حد باکتری‌های رشته‌ای در هنگام کمبود نیتروژن و فسفر می‌شود.

2. حجم دهی غیر رشته ای: اختلال متابولیک ناشی از عدم تعادل بار طراحی

Non-filamentous bulking is mostly caused by excessive microbial proliferation producing viscous polysaccharides, leading to increased water content in sludge flocs. The design-related causes are concentrated in "load control defects": First, the organic load (F/M) is designed too high (>0.5 kg BOD₅/(kg MLSS·d)), and the reactor cannot quickly adapt when the concentration of easily degradable organic matter in the influent suddenly increases; second, the hydraulic load design is unreasonable, with excessively high surface load in the secondary settling tank (>1.5 m³/(m²·h))، باعث ایجاد ضربه بر روی لایه لجن و شکستگی لخته می شود. ثالثاً، واحد پیش تصفیه وجود ندارد و در نتیجه ذرات معلق با نفوذ بیش از حد بالا (SS)، که مقدار زیادی ماده آلی را به راکتور جذب می کند، نوسانات بار را تشدید می کند.

طراحی فرآیند باید بر «ممانعت از مزیت رقابتی باکتری‌های رشته‌ای، تثبیت محیط متابولیک میکروبی، و افزایش کارایی لجن-جداسازی آب» تمرکز کند و باید به طور سیستماتیک از سه بعد بهینه‌سازی شود: پیکربندی راکتور، پارامترهای کلیدی، و واحدهای عملکردی:{1}} باکتری ها

پیکربندی راکتور مستقیماً توزیع فضایی غلظت DO و سوبسترا را تعیین می کند که برای کنترل حجیم شدن باکتری رشته ای بسیار مهم است. پیکربندی محیط گرادیان باید در طراحی اولویت بندی شود تا از عیوب ذاتی یک راکتور کاملا مخلوط جلوگیری شود.

(1) تنظیمات Plug-و Composite را اولویت بندی کنید

راکتورهای دوشاخه‌ای (مانند مخازن هوادهی سنتی و گودال‌های اکسیداسیون) یک گرادیان غلظت زیرلایه طبیعی (بالا در جلو، پایین در عقب) و گرادیان DO (کم در جلو، بالا در پشت) در امتداد جهت جریان آب تشکیل می‌دهند. این محیط گرادیان تولید مثل سریع باکتری‌های تشکیل‌دهنده لخته (گروه باکتریایی غالب که لخته‌ها را تشکیل می‌دهند) در مناطقی با بستر کافی تسهیل می‌کند و از رشد بیش از حد باکتری‌های رشته‌ای جلوگیری می‌کند. در طول طراحی، نسبت طول راکتور به عرض راکتور باید بیشتر یا مساوی 5:1 باشد و عمق مخزن تا 3 ~ 5 متر باشد تا جریان آب موثر تضمین شود و از اتصال کوتاه جلوگیری شود. برای تصفیه خانه‌های فاضلاب در مقیاس بزرگ، می‌توان از پیکربندی «جریان دوشاخ + هوادهی تقسیم‌شده» استفاده کرد و راکتور را به 3-4 کانال تقسیم کرد که هر کدام دارای یک سیستم هوادهی مستقل هستند. با تنظیم نرخ هوادهی هر کانال، اکسیژن محلول (DO) در قسمت جلویی در 0.5-1 میلی گرم در لیتر (منطقه بدون اکسیژن) و در انتهای عقب در 2-3 میلی گرم در لیتر (منطقه هوازی) کنترل می شود، بنابراین نیازهای حذف نیتروژن با سرکوب باکتری های رشته ای متعادل می شود.

پیکربندی‌های ترکیبی (مانند A²O، UCT و MSBR) از طریق منطقه‌بندی عملکردی مناطق بی‌هوازی، بدون اکسیژن و هوازی، به استفاده از مواد مغذی درجه‌بندی می‌شوند و مزیت رقابتی باکتری‌های رشته‌ای را کاهش می‌دهند. در طول طراحی، جداسازی هیدرولیکی بین هر بخش باید تقویت شود، مانند نصب دیوارهای راهنما بین مناطق بدون اکسیژن و هوازی و کنترل نسبت گردش مجدد مایع مخلوط (نسبت گردش مجدد داخلی 200٪-300%). این امر از برگشت نیترات به ناحیه بی هوازی جلوگیری می کند، باکتری های تجمع کننده پلی فسفات را مهار می کند، در حالی که از نیترات زدایی در ناحیه بدون اکسیژن برای مصرف برخی منابع کربن به راحتی تجزیه پذیر استفاده می شود و فشار رقابتی مواد مغذی بر روی باکتری های رشته ای در ناحیه هوازی کاهش می یابد.

(2) طراحی منطقی سیستم هوادهی: اطمینان از یکنواختی و کنترل پذیری DO

نقص طراحی در سیستم هوادهی علت اصلی نارسایی موضعی DO است. دقت کنترل DO باید از سه جنبه بهبود یابد: روش هوادهی، انتخاب تجهیزات، و قرار دادن بهینه. برای راکتورهای جریان پلاگین، هوادهی ریز متخلخل (مانند هواده های غشایی) ترجیح داده می شود، زیرا میزان استفاده از اکسیژن آن می تواند به 25٪ تا 35٪ برسد، بسیار بالاتر از هوادهی سطحی (8٪ تا 15٪). محل قرارگیری هواکش باید به طور مساوی در طول راهرو توزیع شود و چگالی در انتهای جلو 10٪ تا 20٪ کاهش یافته و در انتهای عقب افزایش یابد تا از یک گرادیان DO پایدار اطمینان حاصل شود. به طور همزمان، نقاط مانیتورینگ آنلاین DO و شیرهای تنظیم هوادهی باید در هر راهرو نصب شوند تا کنترل دینامیکی حجم هوادهی حاصل شود.

برای راکتورهای کاملاً مخلوط (مانند SBR)، اگر به دلیل محدودیت فضا باید از آنها استفاده شود، باید از حالت "هوادهی متناوب + هم زدن" استفاده شود. این شامل جابه‌جایی دوره‌ای بین «هم زدن بی‌هوازی (۱ تا ۲ ساعت) - هوادهی هوازی (۲ تا ۳ ساعت)» برای شبیه‌سازی محیط جریان پلاک و مهار باکتری‌های رشته‌ای است. شدت هوادهی باید در مرحله طراحی دقیقاً محاسبه شود تا اطمینان حاصل شود که DO به سرعت به بالای 2 میلی گرم در لیتر در طول فاز هوازی می رسد و ORP در 100- تا 50- میلی ولت در طول فاز بدون اکسیژن کنترل می شود.

2. پارامترهای کلیدی: مطابقت با مرزهای عملیاتی "Floc Advantage"

طراحی پارامترهای اصلی مانند سن لجن (SRT)، بارگذاری آلی (F/M)، و نسبت مواد مغذی باید به شدت در محدوده رشد غالب باکتری‌های لخته کنترل شود تا از حجیم شدن لجن از دیدگاه متابولیک جلوگیری شود.

(1) سن لجن (SRT): دقیقاً مطابق با چرخه تولید میکروبی

SRT بیش از حد طولانی عامل مهمی برای حجیم شدن باکتری‌های رشته‌ای است-چرخه تولید باکتری‌های رشته‌ای معمولاً طولانی‌تر از باکتری‌های لخته است و SRT بیش از حد طولانی منجر به تجمع تدریجی باکتری‌های رشته‌ای می‌شود. طراحی باید محدوده معقولی SRT (خود-زمان حذف) را بر اساس اهداف تصفیه (حذف نیتریفیکاسیون/فسفر) و کیفیت آب ورودی تعیین کند: فقط برای حذف مواد آلی، SRT باید در 3-5 روز کنترل شود. برای حذف همزمان نیتروژن، SRT باید به 10-15 روز افزایش یابد (برای رفع نیازهای باکتری های نیتروژن کننده). برای حذف همزمان نیتروژن و فسفر، SRT باید در 8-12 روز کنترل شود تا نیازهای رشد باکتری های تجمع کننده پلی فسفات و باکتری های نیتریف کننده را متعادل کند.

برای اطمینان از SRT پایدار، یک سیستم تخلیه لجن دقیق باید در طراحی گنجانده شود که از حالت "تخلیه لجن پیوسته + نظارت آنلاین" استفاده می کند. یک متر غلظت لجن باید در مخزن ته نشینی ثانویه نصب شود تا تخلیه لجن اضافی را بر اساس غلظت MLSS (بین 2000-4000 میلی گرم در لیتر) به طور خودکار تنظیم کند. برای سیستم های بزرگ می توان یک مخزن غلیظ کننده لجن و یک ایستگاه پمپاژ لجن برگشتی نصب کرد. با کنترل نسبت بازگشت (50%-100%)، می توان غلظت لجن را در راکتور ثابت نگه داشت و از نوسانات SRT جلوگیری کرد.

(2) نسبت بارگذاری آلی (F/M): اجتناب از "شوک بار" و "گرسنگی کم بار"

طراحی F/M باید «الزامات تکثیر لخته» و «پایداری بار» را متعادل کند و از نسبت‌های بیش از حد بالا یا پایین اجتناب کند. برای تصفیه فاضلاب شهری، F/M باید بین 0.2 تا 0.4 کیلوگرم BOD5/(kg MLSS·d) کنترل شود، که در آن متابولیسم باکتری در لخته‌ها شدید است و به سرعت لخته‌های متراکم را تشکیل می‌دهند. برای فاضلاب صنعتی (مانند فاضلاب پردازش مواد غذایی، که تجزیه پذیری زیستی خوبی دارد)، F/M را می توان به 0.3 تا 0.5 کیلوگرم BOD5/(kg MLSS·d) افزایش داد، اما یک مخزن یکسان سازی قبل از تصفیه برای رفع نوسانات بار مورد نیاز است. این طرح باید شوک های بار را از طریق "پیش تصفیه + توزیع بار" کنترل کند: ابتدا باید یک مخزن همگن سازی با حجم موثر برای حداکثر جریان روزانه 8-12 ساعت طراحی شود تا از کیفیت و کمیت یکنواخت ورودی اطمینان حاصل شود. دوم، یک پیکربندی "راکتور موازی" باید اتخاذ شود. هنگامی که بار ورودی به طور ناگهانی افزایش می یابد، نسبت F/M یک مخزن منفرد را می توان به طور موقت با تغییر تعداد راکتورهای در حال کار (به عنوان مثال، تغییر از 2 به صورت موازی به 1) افزایش داد، و از عدم تعادل بار کلی سیستم جلوگیری کرد.

(3) نسبت مواد مغذی: کنترل دقیق تعادل C/N/P

کمبود نیتروژن و فسفر می تواند منجر به رشد بیش از حد باکتری های رشته ای شود. طراحی باید اطمینان حاصل کند که نسبت C/N نفوذی بزرگتر یا مساوی 3-5 و نسبت C/P بزرگتر یا مساوی 15-20 است. برای فاضلاب کم کربن (به عنوان مثال، فاضلاب شهری، COD/TN<5), a carbon source addition system should be reserved, with the addition point set at the front end of the anaerobic section, using a metering pump for precise addition; for high carbon-to-nitrogen ratio industrial wastewater (e.g., chemical wastewater), a nitrogen and phosphorus addition device should be reserved, with the addition point set at the inlet of the aerobic section to avoid nutrient imbalance.

این طرح می‌تواند یک سیستم «پایش آنلاین کیفیت آب + دوز خودکار» را برای نظارت بر غلظت‌های COD، TN و TP در زمان واقعی ادغام کند و به طور خودکار دوز را از طریق معادلات تعادل مواد محاسبه کند تا نسبت‌های مواد مغذی پایدار را تضمین کند. به عنوان مثال، زمانی که نسبت C/N ورودی کمتر از 3 باشد، استات سدیم (معادل COD 0.78) به طور خودکار برای تکمیل منبع کربن اضافه می شود. زمانی که نسبت C/P کمتر از 15 باشد، دی هیدروژن فسفات پتاسیم برای تکمیل منبع فسفر اضافه می شود.

3. سیستم کمکی: تقویت "لجن-جداسازی آب" و "بافر خطر"

نقص طراحی در مخزن ته نشینی ثانویه و فقدان سیستم اضطراری آسیب حجیم شدن لجن را تشدید می کند. بهبود مقاومت در برابر خطر سیستم با بهینه سازی واحد جداسازی لجن-و پیکربندی امکانات اضطراری ضروری است.

(1) مخزن ته نشینی ثانویه: بهینه سازی شرایط هیدرولیک و راندمان تخلیه لجن

بارگذاری سطحی، عمق موثر آب و روش تراشیدن لجن مخزن ته نشینی ثانویه مستقیماً بر اثر ته نشینی لجن تأثیر می گذارد. نرخ بارگذاری سطحی باید در طول مرحله طراحی (کمتر از مقدار طراحی معمولی 1.5 m³/(m²·h)) با عمق موثر آب بزرگتر یا مساوی 4 متر برای اطمینان از فضای ته نشینی کافی برای لایه لجن، به شدت در 0.8-1.2 m³/(m²·h) کنترل شود. یک مخزن ته نشینی ثانویه با جریان شعاعی با ورودی مرکزی و خروجی محیطی استفاده می شود و یک صاف کننده جریان در ناحیه ورودی نصب می شود تا تأثیر آب ورودی بر روی لایه لجن را کاهش دهد.

سیستم خراش دادن لجن ترجیحاً از یک خراش دهنده لجن محرک محیطی استفاده می کند که سرعت خراش در آن 1 تا 2 متر در دقیقه کنترل می شود تا از سرعت خراش بیش از حد که باعث شکستگی لجن لجن شود جلوگیری شود. یک دستگاه اختلال هوادهی پایین نیز نصب شده است. هنگامی که ضخامت لایه لجن از 1.5 متر بیشتر شود، هوادهی با فشار کم (DO زیر 0.5 میلی گرم در لیتر کنترل می شود) برای جلوگیری از تجزیه بی هوازی و شناور شدن لجن فعال می شود. علاوه بر این، مخزن ته نشینی ثانویه باید به رابط نصب لجن سنج برای نظارت بر ارتفاع رابط لجن در زمان واقعی مجهز باشد. هنگامی که سطح مشترک از 1/2 عمق موثر آب بیشتر شود، میزان تخلیه لجن به طور خودکار افزایش می یابد.

(2) پیش درمان و سیستم اضطراری: مسدود کردن منبع خطر

طراحی سیستم پیش تصفیه باید بر روی "حذف مواد سمی و بسترهای مقاوم" تمرکز کند تا از مهار فعالیت میکروبی و ایجاد حجیم جلوگیری شود. ابتدا باید یک صفحه (فاصله 1-3 میلی متر) و یک محفظه سنگ ریزه (نوع سیکلون) برای حذف مواد جامد معلق و ماسه نصب شود. ثانیاً، برای فاضلاب صنعتی، یک مخزن اسیدی هیدرولیز (HRT{3}}h) باید اضافه شود تا مواد آلی مقاوم به VFA را تبدیل کند و تجزیه پذیری زیستی فاضلاب را بهبود بخشد و بار راکتورهای بعدی را کاهش دهد.

طراحی سیستم اضطراری باید خطر حجیم شدن ناگهانی را با رزرو یک رابط برای "افزودن منعقد کننده + جایگزینی لجن" برطرف کند: یک دستگاه دوز منعقد کننده باید در ورودی مخزن ته نشینی ثانویه نصب شود که اجازه افزودن PAC (50{4}}100 میلی گرم در لیتر) یا PAM (1{5}mg/slutt بهبود سریع عملکرد) را می دهد. یک رابط برگشت لجن با کیفیت بالا باید در ورودی راکتور نصب شود که امکان معرفی لجن فعال با کیفیت بالا از تصفیه خانه های فاضلاب اطراف (جایگزین 20 تا 30 درصد حجم لجن سیستم) را فراهم می کند تا به سرعت ساختار جامعه میکروبی را در صورت حجیم شدن شدید بازیابی کند. III. اعتبار سنجی طراحی: تضمین اثربخشی از طریق شبیه سازی و مطالعات موردی

پس از تکمیل طراحی فرآیند، اثربخشی کنترل حجیم‌سازی لجن باید از طریق شبیه‌سازی عددی و مقایسه با مطالعات موردی مهندسی اعتبارسنجی شود تا از نقص‌های طراحی جلوگیری شود.

ابتدا از ابزارهای شبیه سازی عددی (مانند BioWin و GPS{0}}X) استفاده می شود. پارامترهای طراحی (پیکربندی راکتور، SRT، F/M، DO، و غیره) و داده‌های کیفیت آب ورودی برای شبیه‌سازی خطر حجیم شدن لجن (مانند تغییرات SVI و تعداد باکتری‌های رشته‌ای) در شرایط عملیاتی مختلف وارد می‌شوند. به عنوان مثال، شبیه سازی تفاوت SVI بین جریان پلاگین و راکتورهای کاملاً مخلوط زمانی که DO تا 0.3 میلی گرم در لیتر نوسان می کند، امکان بهینه سازی قرارگیری سیستم هوادهی را فراهم می کند. شبیه سازی تاثیر دوز منبع کربن بر SVI هنگامی که نسبت C/N ورودی به 2 کاهش می یابد، پارامترهای طراحی سیستم دوز را تعیین می کند.

دوم، مطالعات موردی مهندسی با ارجاع به تجربیات طراحی موفق تصفیه خانه های فاضلاب مشابه انجام می شود. به عنوان مثال، یک کارخانه A²O که فاضلاب فرآوری مواد غذایی را تصفیه می‌کند، از طریق طراحی «مخزن هوازی جریان دوشاخ + هوادهی تقسیم‌شده + تخلیه لجن دقیق»، زمان گردش لجن کنترل‌شده (SRT) را تا 10 روز و چگالی سیال (F/M) تا 0.3 کیلوگرم BOD₅· (kg MLSS) را کنترل می‌کند. پس از سه سال کار، هیچ حجیم رشته ای رخ نداد و مواد جامد معلق پساب (SS) به طور مداوم زیر 10 میلی گرم در لیتر باقی ماندند. یک تصفیه خانه فاضلاب شهری، با افزودن مخزن اسیدی شدن هیدرولیز و سیستم افزودن منبع کربن، مشکل حجیم شدن ناشی از منابع کم کربن را حل کرد و شاخص حجم لجن (SVI) را از 200 میلی لیتر بر گرم به 120 میلی لیتر بر گرم کاهش داد.

هسته اصلی پیشگیری و کنترل حجیم شدن لجن در «طراحی منبع» نه اصلاح عملیاتی نهفته است. طراحی فرآیند باید از ذهنیت سنتی "فقط رعایت استانداردهای تخلیه" با تمرکز بر "تعادل اکولوژیکی میکروبی" عبور کند. این شامل بهینه‌سازی پیکربندی راکتور برای ایجاد محیطی است که باکتری‌های رشته‌ای را مهار می‌کند، از رشد غالب باکتری‌های لخته‌دار از طریق تطبیق دقیق پارامترها، و تقویت لجن-جداسازی آب و بافر خطر از طریق سیستم‌های کمکی جامع اطمینان حاصل می‌کند. در آینده، با توسعه نظارت هوشمند و فن‌آوری‌های شبیه‌سازی عددی، طراحی فرآیند به «شخصی‌شده و دقیق» ارتقا می‌یابد-ترکیب ویژگی‌های کیفیت آب ورودی و شرایط منطقه‌ای، استراتژی‌های پیشگیری و کنترل سفارشی برای دستیابی به-عملیات طولانی‌مدت پایدار و کارآمد سیستم‌های تصفیه آب جامد، ارائه پشتیبانی سیستم‌های تصفیه آب جامد، راهبردهای پیشگیری و کنترل سفارشی.